【導(dǎo)讀】對于 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器而言，使系統(tǒng)小型化并提高整體功率密度的一種顯著方法是通過更高頻率的開關(guān)。然而，盡管開關(guān)頻率超過 1.3 MHz 的系統(tǒng)具有潛在優(yōu)勢，但迫于技術(shù)挑戰(zhàn)，許多設(shè)計(jì)人員直到現(xiàn)在仍在使用較低的頻率，例如 100 kHz 或更低……。閱讀本文了解使用高密度電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)如何改變這一現(xiàn)狀。
對于 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器而言，使系統(tǒng)小型化并提高整體功率密度的一種顯著方法是通過更高頻率的開關(guān)。然而，盡管開關(guān)頻率超過 1.3 MHz 的系統(tǒng)具有潛在優(yōu)勢，但迫于技術(shù)挑戰(zhàn)，許多設(shè)計(jì)人員直到現(xiàn)在仍在使用較低的頻率，例如 100 kHz 或更低……。閱讀本文了解使用高密度電源模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)如何改變這一現(xiàn)狀。
談到電動(dòng)汽車 (EV) ，所有 OEM 廠商都希望設(shè)計(jì)更輕、更小、更實(shí)惠的解決方案。此外，公用事業(yè)單位、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和 OEM 廠商都在努力利用車輛與電網(wǎng) (V2G) 的連接實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)絡(luò)的能源定期交換。從電力電子的角度來看，這一努力不僅需要功率密度更大的電源轉(zhuǎn)換電路，而且還必須滿足將車輛與電網(wǎng)相連的需求。
對于 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器而言，使系統(tǒng)小型化并提高整體功率密度的一種顯著方法是通過更高頻率的開關(guān)。然而，盡管開關(guān)頻率超過 1.3MHz 的系統(tǒng)具有潛在優(yōu)勢，但迫于技術(shù)挑戰(zhàn)，許多設(shè)計(jì)人員仍在使用較低的頻率，例如 100kHz 或更低。
設(shè)想一下，有一種 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換解決方案能夠利用高頻率開關(guān)的優(yōu)勢，而且不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)的缺點(diǎn)。這將大大有助于 OEM 廠商實(shí)現(xiàn)更小、更輕量級 EV 電源設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)增加 V2G 功能。
高頻率 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢
在追求更輕、更小、更實(shí)惠的汽車系統(tǒng)的過程中，高頻率電源轉(zhuǎn)換可提供一種很有前景的解決方案。
采用更高頻率的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要優(yōu)勢是可為物理器件和支持性輸入輸出 EMI 濾波器縮小組件尺寸。轉(zhuǎn)換器本身最耗費(fèi)空間的組件是無源器件，例如電感器和電容器。電感器和電容器在每個(gè)開關(guān)周期中存儲(chǔ)和釋放能量，使電流和電壓波形流暢。轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率越高，這些組件每個(gè)周期存儲(chǔ)的能量就越少，允許使用較小值的組件從而縮小整體系統(tǒng)尺寸，還可針對相同功率級目標(biāo)實(shí)現(xiàn)更高功率密度的系統(tǒng)。
除轉(zhuǎn)換器之外，相關(guān)的輸入 EMI 濾波器也是與 DC-DC 轉(zhuǎn)換相關(guān)的空間占用大戶。DC-DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)因電流及電壓的快速開關(guān)而產(chǎn)生 EMI，這會(huì)在開關(guān)頻率及其諧波下產(chǎn)生噪聲。為了減輕這種噪聲，EMI 濾波器會(huì)部署在輸入端，截止頻率通常取決于功率級需求（圖 1）
此外，這些濾波器還依賴于無源組件，其尺寸與開關(guān)頻率直接相關(guān)。將轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換為 MHz 量級，可增加所需的 EMI 濾波器截止頻率。使用更高的截止頻率，設(shè)計(jì)人員可縮小 EMI 濾波器中的無源組件，從而可在提高系統(tǒng)功率密度的同時(shí)縮小整體系統(tǒng)的尺寸并減輕重量。
采用更高頻率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換，不僅可減小組件尺寸和重量，還可實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)更快的系統(tǒng)。在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，控制環(huán)路帶寬通常是開關(guān)頻率的一個(gè)小部分。更高的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)更高的控制環(huán)路帶寬，這樣反饋環(huán)路就能更快響應(yīng)擾動(dòng)。更高的帶寬使轉(zhuǎn)換器能更快糾正輸出偏差，確保即使在負(fù)載或輸入電壓突然變化時(shí)，輸出電壓也能保持穩(wěn)定。
圖1：有源 EMI 濾波器（標(biāo)記為 QPI）通常用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入端，其截止頻率由轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率決定。
高頻率 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換面臨的常規(guī)挑戰(zhàn)
盡管采用更高頻率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換能帶來大量切實(shí)的好處，但許多技術(shù)挑戰(zhàn)過去一直阻礙著對這一應(yīng)用的實(shí)行。
首先，轉(zhuǎn)向更高頻率的工作可能會(huì)阻礙實(shí)現(xiàn) EMC 合規(guī)。對于傳導(dǎo)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，如 CISPR32（V2G 應(yīng)用需要），該標(biāo)準(zhǔn)評估的頻率范圍為 150kHz 至 30MHz。在更高基本頻率下工作，例如超過 1MHz，會(huì)在所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生最大的諧波，進(jìn)而帶來不合規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)。出于這個(gè)原因，許多電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員選擇較低的工作頻率（例如 100kHz），確保其一次諧波低于所關(guān)注的頻率范圍。如果要求功率級符合 CISPR25 參考標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的問題。
此外，擔(dān)心損耗增加是使用高頻率開關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)的另一個(gè)潛在弊端。MOSFET 等開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗。這些損耗很明顯，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換期間，開關(guān)兩端的電壓以及通過開關(guān)的電流都不是零（圖 2）。
在其它條件都相同的情況下，更高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換更頻繁，這會(huì)增加開關(guān)損耗。每個(gè)開關(guān)事件所消耗的能量與交叉時(shí)間以及電壓和電流的乘積成正比，因此增加頻率就代表這些能耗會(huì)更快地累積。
因此，開關(guān)引起的總功耗與開關(guān)頻率成正比，工作頻率越高，開關(guān)損耗就越大。
最后，在高頻率工作期間會(huì)出現(xiàn)與無源組件的自諧振有關(guān)的問題。自諧振是電氣組件因其寄生屬性而表現(xiàn)出諧振行為的現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)測的行為、阻抗峰值、效率損耗和信號完整性問題。在較高的開關(guān)頻率下，自諧振會(huì)成為一個(gè)重大問題，因?yàn)檫@些頻率接近組件的自諧振頻率，不僅會(huì)放大噪聲和 EMI，而且還會(huì)使電路設(shè)計(jì)復(fù)雜化。此外，在自諧振頻率以外工作時(shí)，電感器將表現(xiàn)出電容器的行為，反之亦然，電容器表現(xiàn)得像電感器。
圖2：開關(guān)損耗出現(xiàn)在“硬開關(guān)”過程中，其中電壓和電流波形都不為零時(shí)，MOSFET 會(huì)轉(zhuǎn)換。
圖 3：零電流開關(guān)是通過一組專用電路實(shí)現(xiàn)的，通過特別定時(shí)的 MOSFET 轉(zhuǎn)換避免高頻率開關(guān)損耗。
解決高頻率電源轉(zhuǎn)換問題
憑借幾十年的業(yè)界領(lǐng)先電力電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，Vicor 開發(fā)出了 DC-DC 轉(zhuǎn)換解決方案，可在無負(fù)面影響的情況下，充分利用高頻率轉(zhuǎn)換的所有優(yōu)勢。具體來說，Vicor NBM? 系列非隔離母線轉(zhuǎn)換器模塊能夠在 1.3MHz 以上的頻率下成功切換。
在效率方面，NBM? 系列產(chǎn)品通過零電壓開關(guān) (ZVS) 及零電流開關(guān) (ZCS) 技術(shù)，可在高頻率下實(shí)現(xiàn)最小的功耗。零電壓開關(guān)的工作原理是仔細(xì)定時(shí)開關(guān)的操作，在開關(guān)兩端的電壓為零時(shí)進(jìn)行開關(guān)操作。同樣，零電流開關(guān)的工作原理也是定時(shí)開關(guān)工作，使其在通過開關(guān)的電流為零時(shí)工作（圖 3）。
圖 4：NBM9280 增加專用 PI 濾波器后通過了傳導(dǎo)發(fā)射合規(guī)性測試。
Vicor ZVS 和 ZCS 是通過在脈寬調(diào)制 (PWM) 時(shí)序中引入單獨(dú)相位來實(shí)現(xiàn)的。利用增加的相位，這些解決方案使用鉗位開關(guān)和電路諧振，通過軟開關(guān)高效運(yùn)行高側(cè)及同步 MOSFET，從而可避免在常規(guī) PWM 硬開關(guān)工作及定時(shí)過程中產(chǎn)生的損耗。得益于 ZVS 和 ZCS，NBM 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)品不僅可在 1.5 至 1.7MHz 的頻率下工作，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)高達(dá) 99% 的峰值效率。高開關(guān)頻率和高效率的完美結(jié)合，使解決方案具有無與倫比的功率密度，高達(dá) 550kW/升。 在 EMC 方面，即使在極高的頻率下，NBM? 產(chǎn)品也能達(dá)到合規(guī)要求。最近的一組測試對 NBM9280 電源模塊的傳導(dǎo)發(fā)射合規(guī)性進(jìn)行了評估。 Vicor 的這款模塊可轉(zhuǎn)換 37.5kW 的功率，功率密度為 550 kW/升，適用于電動(dòng)汽車應(yīng)用。測試發(fā)現(xiàn)，即使在開關(guān)頻率為 1.3MHz 時(shí)，NBM9280 也可通過結(jié)合 Pi 濾波并在輸入電源線周圍引入鐵氧體磁芯來滿足 CISPR32 限制（圖 4）。最終的濾波組件比低頻率（即 100kHz）解決方案所需的組件小得多，但仍然實(shí)現(xiàn)了相同的合規(guī)性。 綜合考慮，汽車設(shè)計(jì)人員只要使用 NBM? 系列產(chǎn)品替換其現(xiàn)有的 DC-DC 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，就可實(shí)現(xiàn)更小尺寸及更大功率密度的優(yōu)勢，不會(huì)出現(xiàn)不合規(guī)或效率損失的風(fēng)險(xiǎn)。更高的頻率支持當(dāng)前的 EV 需求期。 隨著向電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)變，汽車行業(yè)需要更小、更輕、功率密度更高的解決方案，來支持車輛至電網(wǎng)的接口。對于電力電子設(shè)計(jì)人員來說，轉(zhuǎn)用更高頻率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換解決方案是滿足這些需求的最佳途徑。 Vicor 現(xiàn)已能夠開發(fā)出以高達(dá) 1.74MHz 的開關(guān)頻率運(yùn)行的 DC-DC 轉(zhuǎn)換解決方案。而且不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)高開關(guān)頻率缺點(diǎn)。使用 NBM? 系列 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等產(chǎn)品，汽車設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)汽車高效率、輕量化和高性能的未來，沒有設(shè)計(jì)復(fù)雜性，也不需要實(shí)現(xiàn)這些結(jié)果所需的專業(yè)技術(shù)。 （作者：陳雋恒，來源：Vicor）
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